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TEMA 4: LAS PROTEÍNAS Y LA ACCIÓN ENZIMÁTICA

1. LOS AMINOÁCIDOS

Concepto y Estructura

Son biomoléculas que llevan en su carbono un grupo carboxilo, un grupo

amino, un H y un radical “R”, (por el cual se distinguen). Los cuatro se sitúan en los

vértices de un tetraedro en el que el carbono se situaría en el centro.

Propiedades

Son sólidos, cristalinos, con alto punto de fusión, solubles en agua, poseen

actividad óptica y comportamiento anfótero.

La isomería de los aminoácidos se debe al carbono que es asimétrico,

produciendo aminoácidos dextrógiros y levógiros. También se distinguen los

estereoisómeros D, con el grupo amino a la derecha y L, a la izquierda. Estos últimos

son los que forman las proteínas naturales.

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Debido a su comportamiento anfótero, en disolución pueden encontrarse

ionizados de varias formas:

La clasificación de los 20 aminoácidos, que forman parte de las proteínas, se

realiza según sea el grupo R.

* No polares

* Polares sin carga a pH 7

* Ácidos con carga negativa a pH 7

* Básicos con carga + a pH 7

Los aminoácidos esenciales son: Valina, Leucina, Isoleucina, Metionina,

Fenilalanina, Treonina, Triptófano y Lisina. La Arginina e Histidina son

esenciales solo para los lactantes y niños de corta edad.

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2. EL ENLACE PEPTÍDICO Y LOS PÉPTIDOS

Los péptidos y las proteínas se forman por la unión de aminoácidos mediante enlace

peptídico.

Los péptidos se nombran según el número de aminoácidos en: Oligopétidos,con

hasta 10 aminoácidos y se nombran con su prefijo numérico: dipéptido, tripéptido, etc. y

Polipétidos, entre 10 y 50 y cuando tienen más se denominan proteínas, encontrándose

en los seres vivos hasta con 1000 aminoácidos.

El enlace peptídico es un enlace covalente formado entre el grupo carboxilo de un

aminoácido y el grupo amino del siguiente. Es un enlace rígido, con dimensiones y

propiedades entre un enlace simple y uno doble. Esto se debe al efecto de resonancia

y hace que los elementos que están unidos al enlace peptídico se encuentren en el

mismo plano.

3. LA ESTRUCTURA DE LAS PROTEÍNAS

Se diferencian cuatro niveles:

PRIMARIA: Informa de la secuencia de aminoácidos. La función va a depender

de esta secuencia, pero no es real. Siempre el primer aminoácido se encuentra en

el estreno N-terminal (Nt) y el último en el extremo Carboxilo terminal (Ct).

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SECUNDARIA: Es la disposición en el espacio de la estructura primaria. Esta

disposición puede ser de tres tipos:

- hélice: Se produce al girar los planos

donde se encuentra el enlace

peptídico. Se produce una vuelta

cada 3,6 aminoácidos. La

estructura se estabiliza por los

enlaces por puentes de hidrógeno

que se producen entre el O y el H

de 4º aminoácido siguiente. Los

grupos R se sitúan hacia fuera.

- laminar: Se produce por la interacción entre polipéptidos lineales situados

de forma paralela o antiparalela. Se estabiliza por puentes de hidrógeno

entre los O y los H de cadenas distintas. Es más estable la estructura

antiparalela, por permanecer los átomos que forman los enlaces más

cerca. Los grupos R se sitúan hacia arriba y hacia abajo de la lámina.

Hélice del colágeno: Es un tipo especial de hélice en la que se

encuentran gran cantidad de aminoácidos que no

forman enlaces por puentes de hidrógeno como la

prolina y la hidroxiprolina. El resultado es un

alargamiento de la hélice. Para formar una molécula de

colágeno se necesitan tres hélices.

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TERCIARIA: Se produce cuando coexisten partes de la - hélice y la -

laminar en la misma proteína. Esta estructura se mantiene debido a la existencia

de aminoácidos que interrumpen la estructura secundaria, los radicales hidrófilos

tenderán a salir hacia el medio y los hidrófobos a alejarse, los restos S-H son

capaces de formar puentes disulfuro S-S y a que la carga de algunos

aminoácidos hace que se atraigan o repelan.

Siempre la misma secuencia inicial y, en las mismas condiciones del medio,

forma la misma conformación tridimensional, que es la más estable y a la que se

denomina estado nativo. Puede adquirir una forma globular o fibrosa.

CUATERNARIA: Se produce por la asociación de varias cadenas

polipeptídicas, denominadas subunidades o protómeros mediante enlaces

similares a los de la estructura terciaria.

Estructura de la hemoglobina

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4. PROPIEDADES Y FUNCIONES DE LAS PROTEÍNAS

Propiedades:

Solubilidad: Depende del tamaño y de la forma de la molécula, siendo solubles en

forma de coloides, las globulares e insolubles las filamentosas o fibrosas.

Comportamiento químico: Debido a la presencia

de radicales ácidos y básicos, su

comportamiento es anfótero.

Desnaturalización: Cuando a las proteínas se las

somete a cambios en el pH, concentración

salina del medio, temperatura, etc. la proteína

pierde su estructura y puede precipitar, dejando

de ser soluble. Se dice que la proteína se ha

desnaturalizado. Estos cambios no afectan a los

enlaces peptídicos y por tanto si las condiciones

del medio se recuperan la proteína puede

renaturalizarse, aunque esto no siempre es

posible.

Especificidad: Las proteínas son específicas de

cada especie. Dos proteínas que realicen la

misma función en dos seres vivos distintos,

homólogas, varían en algunos aminoácidos. Si

se introducen proteínas de un organismo en otro

se producen rechazos.

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Funciones

Estructural: A nivel celular: Glucoproteínas de la membrana, la tubulina de los

microtúbulos del citoesqueleto, de cilios y flagelos, actina de los microfilamentos y las

histonas de los ácidos nucleicos.

A nivel histológico se pueden citar las queratinas, las elastinas y el colágeno.

Transporte: Las permeasas de la membrana, la hemoglobina, la transferrina, las

lipoproteínas etc.

Enzimática: Es posiblemente la función más importante. Facilitan las reacciones

químicas haciendo que se realicen a gran velocidad, pero a temperatura baja.

Hormonal: Insulina, tiroxina, hormona del crecimiento, etc.

Defensa: Las inmunoglobulinas o anticuerpos, la trombina y el fibrinógeno, las

mucinas, así como los antibióticos.

Motoras: La actina y la miosina que intervienen en la contracción muscular. Cinesinas

en el movimiento de vesículas y orgánulos y la dineína en el movimiento de los cilios y

flagelos.

Reserva de aminoácidos: Ovoalbumina, la caseína, etc.

Homeostática: Regulan el pH y la presión osmótica.

5. CLASIFICACIÓN DE LAS PROTEÍNAS

Según su composición distinguen dos grupos:

HOLOPROTEINAS: Formadas sólo por aminoácidos.

HETEROPROTEINAS: Una parte proteica y otra no proteica denominada Grupo

prostético.

CROMOPROTEINAS: llevan un pigmento como la hemoglobina y mioglobina

con hierro y de color rojo o la hemocianina que lleva cobre y es de color azul.

GLUCOPROTEÍNAS: llevan un glúcido unido covalentemente, como en

algunas hormonas (Gonadotropina HCG, Eritropoyetina o EPO),

inmunoglobulinas y mucoproteínas.

LIPOPROTEÍNAS: llevan lípidos como los quilomicrones, VLDL, LDL y

HDL.

NUCLEOPROTEÍNAS: son las que se unen a los ácidos nucleicos.

FOSFOPROTEÍNAS: llevan ácido fosfórico como la caseína y la vitelina.

Según su forma o estructura se distinguen:

GLOBULARES: Solubles en agua y disolventes polares

Forma más o menos esférica

Actividad biológica grande.

Tipos:

Albúminas: Reserva principal del organismo.

Regulan la presión osmótica

Globulinas: Elevado peso molecular hasta 1.000.000

Forman parte de la hemoglobina y los anticuerpos.

Histonas: Se encuentran asociadas a los ácidos nucleicos.

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FILAMENTOSAS: Insolubles en agua

Estructura alargada tipo o .

Resistentes a los enzimas proteolíticos

Tipos:

Colágeno: Formados por tres cadenas ricas en prolina, hidroxiprolina y glicina.

Se encuentran en el tejido cartilaginoso, conjuntivo y óseo.

Elastinas: hélice. Se encuentran en pulmones y arterias.

Queratinas: laminar. En formaciones epidérmicas como el pelo,

uñas, plumas etc.

6. LOS ENZIMAS Y SU MECANISMO DE ACCIÓN

Características generales

Son proteínas globulares, solubles en agua, aumentan la velocidad de las reacciones,

por eso se denominan biocatalizadores, ya que permiten que se encuentren los

sustratos que van a reaccionar en su superficie o debilitan los enlaces de algún

compuesto facilitando su rotura y dando lugar a los productos.

Estructura

Se distinguen dos tipos de enzimas:

HOLOPROTEÍNAS: Sólo tienen parte proteica, el APOENZIMA.

HOLOENZIMAS: Tienen una parte proteica, el APOENZIMA y una parte

no proteica, el COFACTOR.

En el APOENZIMA se distinguen tres tipos de aminoácidos:

Estructurales: dan forma a la proteína.

De fijación: sujetan al sustrato mediante enlaces débiles.

Catalíticos: forman enlaces covalentes, debilitando la estructura del

sustrato.

Los aminoácidos de fijación y los catalíticos se encuentran en un hueco

tridimensional denominado centro activo, que es el lugar en donde se fija el sustrato y

tiene lugar la reacción.

Sustrato

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Los COFACTORES, se unen al apoenzima dando origen a la molécula activa

u HOLOENZIMA. Los cofactores pueden ser de tres tipos:

Iones metálicos como el Fe2+, Mg2+, etc.

GRUPOS PROSTÉTICOS, moléculas orgánicas unidas permanentemente

de forma covalente: Como el grupo hemo de la hemoglobina.

COENZIMAS, moléculas orgánicas no unidas covalentemente.

Las coenzimas no suelen ser específicos de un sólo tipo de apoenzima. Se

alteran durante la reacción, pero se regeneran rápidamente. Los principales son el

ATP/ADP, moneda energética de todas las células; NAD+/NADH+ H+; FAD/FADH2

que intervienen en reacciones de oxido-reducción y por lo tanto sirven para transferir

energía y CoA que transporta grupos acilo (CH3-CH2-…) en el metabolismo de glúcidos

y lípidos.

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Nomenclatura y clasificación

Para nombrar un enzima, se pone primero el nombre del sustrato preferente y a

continuación la acción típica que realiza terminada en “asa”. Se clasifican en 6 clases:

Clasificación internacional de enzimas

1. Oxidorreductasas transferencia de electrones. Las principales son las

deshidrogenasas y las oxidasas.

2. Transferasas reacciones de transferencia de grupo (no agua)

3. Hidrolasas reacciones de hidrólisis (transferencia al agua)

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4. Liasas Adición de grupos a dobles enlaces o formación de dobles enlaces

por eliminación de grupos

5. Isomerasas transferencia de grupos dentro de la misma molécula para dar

isómeros

6. Ligasas o sintetasas: Formación de enlaces C-C, C-S, C-O y C-N por reacciones

de condensación acopladas a hidrólisis de ATP.

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El mecanismo de acción.

Para que se produzca una reacción, es necesario que las moléculas adquieran una

energía mínima de activación, necesaria para la formación de un complejo intermedio

muy inestable, que se romperá dando los productos resultantes.

En el laboratorio esta energía puede conseguirse por un aumento de temperatura,

pero no así en los seres vivos. Lo que hacen los enzimas es disminuir la energía de

activación, así el número de moléculas que pueden superar esa energía va a ser mayor.

El enzima se une al sustrato formando el complejo enzima-sustrato, posteriormente

se separan dando el producto y el enzima, que no se consume y puede volver a actuar.

E + S [ES] E + P

Los enzimas son muy específicos, ya que sólo va a existir actividad enzimática

cuando los radicales de los aminoácidos de fijación coincidan con los radicales del

sustrato.

La especificidad puede ser:

De reacción: El enzima sólo puede realizar un tipo de reacción: Hidrólisis, Óxido-

Reducción, etc.

De sustrato: Cada enzima puede actuar sobre un sustrato o reducido número de

sustratos parecidos.

Absoluta: Sobre un solo sustrato. (Unión de enlace llave-cerradura)

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De grupo: Sobre varios sustratos. (Unión de enlace ajuste inducido)

7. LA CINÉTICA ENZIMÁTICA.

Estudia la velocidad de la reacción y los factores que le afectan que son:

Concentración de sustrato: Explicado por Michaelis-Menten. Al aumentar la

concentración de sustrato, para una cantidad de enzima constante, la velocidad

de la reacción va aumentando hasta que llega a una velocidad máxima a partir de

la cual permanece estable. Se dice entonces que la enzima está saturada por el

sustrato. A la concentración de sustrato necesaria para alcanzar la mitad de la

velocidad máxima, se le denomina KM y nos indica la afinidad del enzima por

su sustrato. A mayor KM menor es la afinidad.

Temperatura: Al aumentar la temperatura aumenta la velocidad hasta un valor

de temperatura óptima, a partir del cual va disminuyendo debido a la

desnaturalización del enzima.

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pH: Cada enzima tiene un pH óptimo, por encima y por debajo de él la actividad

disminuye, ya que afecta a las cargas de los radicales, modificando su estructura.

Activadores: Se combinan con el enzima aumentando su poder catalítico.

Elemento Enzima Activada

Zn++ Deshidrogenasas, anhidrasa carbónica, ARN y ADN polimerasas.

Mg++ Fosfohidrolasas, fosfotransferasas, fosfatasas.

Mn++ Arginasas, peptidasas, quinasas.

Mo Nitratoreductasa, nitrogenasa.

Fe2+, Fe3+ Citocromos, catalasas, ferredoxina, peroxidasas, nitritoreductasa.

Cu2+ Citocromo oxidasa, tirosinasa, ácido ascórbico oxidasa, plastocianina

Ca2+ 1,3 glucansintetasa, calmodulina.

K+ Piruvato fosfoquinasa, ATPasa.

Co Vitamina B12 hallada en microorganismos y animales, pero no en plantas.

Importante en la fijación simbiótica de nitrógeno.

Ni Ureasa.

Inhibidores: Se unen al enzima haciendo que disminuya su actividad.

Hay dos formas de inhibición: la irreversible, en la que el enzima queda

inutilizado y la reversible, en la que una vez retirado el inhibidor la actividad

puede continuar. Los inhibidores reversibles a su vez pueden ser de dos tipos:

Competitivos, si compiten por el centro activo con el sustrato y no

competitivos, si se unen a otra zona distinta.

Sustrato

No Competitivo

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Se pueden diferenciar al aumentar la concentración de sustrato, que consigue

aumentar la velocidad de la reacción en los primeros pero no en los segundos.

8. LA REGULACIÓN DE LA ACCIÓN ENZIMÁTICA

En el metabolismo celular, los enzimas actúan secuencialmente formando las rutas

metabólicas. Un ejemplo es la glucolisis que transforma la glucosa en piruvato con un

total de 10 reacciones.

En cada sistema hay al menos un enzima que regula la velocidad de la secuencia y

suele ser el primero.

La regulación puede llevarse a cabo de dos formas: sobre la síntesis del enzima, que

sólo se produce cuando se necesita o sobre su actividad mediante la unión de ligandos

que hacen que el enzima sea activo o inactivo como por ejemplo la fosforilación-

desfosforilación.

Enzimas alostéricos: son aquellos que están formados por varias subunidades y

suelen tener uno o más centros reguladores, distintos del centro activo. Estos

enzimas presentan dos conformaciones: La tensa T, con una baja afinidad y la

relajada R, con una alta afinidad. El paso de una a otra puede deberse a los

moduladores + y –, o al mismo sustrato, en cuyo caso se dice que el enzima

presenta cooperatividad.

Las formas R y T se encuentran en equilibrio R <==> T (Figura inferior):

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Activador alostérico: favorece la

unión del sustrato

Inhibidor alostérico: impide la

unión del sustrato

Su curva de actuación es distinta a la de los enzimas normales presentando una

forma sigmoidea, en la que se aprecia como pequeñas variaciones de sustrato cerca

del valor de KM se traduce en grandes variaciones en la velocidad de la reacción.

Cooperatividad

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9. LAS VITAMINAS

Son sustancias extendidas en el reino animal y vegetal, que se encuentran en los

alimentos en pequeñas cantidades, imprescindibles para el crecimiento y conservación

del cuerpo animal. Son sustancias esenciales, es decir que el organismo no es capaz de

sintetizarlas.

El nombre se debe a Funk, a partir de la suposición de que eran aminas necesarias

para la vida, vitales.

A veces el alimento contiene un precursor que va a ser transformado en la vitamina

en el interior del cuerpo. A estos precursores se les denomina “provitaminas”.

Cuando con el alimento no se recibe la cantidad de vitaminas adecuada, se producen

enfermedades más o menos graves, ya sea por carencia absoluta (AVITAMINOSIS),

por tomarla en menor cantidad de la necesaria (HIPOVITAMINOSIS) o por tomarla en

exceso (HIPERVITAMINOSIS).

La importancia de las vitaminas radica en que son coenzimas, precursores de

coenzimas o más frecuentemente, forman parte de coenzimas (B3 forma parte de los

coenzimas NAD+ y NADP+ y B2 forma parte del FAD y FMN). Estas coenzimas son de

enzimas importantísimos para las funciones biológicas de las células.

Las vitaminas se clasifican en:

HIDROSOLUBLES: Complejo vitamínico B (B1, B2 ó RIBOFLAVINA, B3 ó PP ó

NIACINA ó ÁCIDO NICOTÍNICO, B5 ó ácido pantoténico, B6, B9 ó ácido fólico,

B12) C, H ó biotina y W

LIPOSOLUBLES: A, E, D y K.

Para saber más de las vitaminas http://www.zonadiet.com/nutricion/vitaminas.htm